JP2006310413A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】波長が異なる複数の半導体レーザ素子がモノリシックに形成された半導体レーザ装置に、高出力特性及び高信頼性を得られる端面コート膜を容易に形成できるようにする。
【解決手段】半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０１の上に形成され、第１の発振波長がλ1であるレーザ光を出射する赤色半導体レーザ素子１及び第２の発振波長がλ2（但し、λ2≧λ1）であるレーザ光を出射する赤外半導体レーザ素子１とを有している。各半導体レーザ素子１及び２における各レーザ光を出射する出射端面１４０上には、第１の発振波長λ1と第２の発振波長λ2との間の波長λに対して、屈折率がｎ1で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ1）である第１の誘電体膜が形成され、該第１の誘電体膜の上には、屈折率がｎ2で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ2）である第２の誘電体膜が形成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０１の上に形成され、第１の発振波長がλ1であるレーザ光を出射する赤色半導体レーザ素子１及び第２の発振波長がλ2（但し、λ2≧λ1）であるレーザ光を出射する赤外半導体レーザ素子１とを有している。各半導体レーザ素子１及び２における各レーザ光を出射する出射端面１４０上には、第１の発振波長λ1と第２の発振波長λ2との間の波長λに対して、屈折率がｎ1で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ1）である第１の誘電体膜が形成され、該第１の誘電体膜の上には、屈折率がｎ2で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ2）である第２の誘電体膜が形成されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光ディスクの光源等に用いる単一波長型又は２波長型の半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザ装置は、エレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの多くの分野で広く使用されており、光デバイスとして不可欠なものである。特に、ＣＤ（コンパクトディスク）及びＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）等の光ディスクは、大容量の記録媒体として現在盛んに利用されている。ＤＶＤに用いる記録媒体（メディア）は、ＣＤに用いる媒体と比べてピット長及びトラック間隔が小さい。従って、ＤＶＤに使用されるレーザ光の波長もＣＤと比べて短い。具体的には、ＣＤに用いるレーザ光の発振波長は７８０ｎｍ帯であるのに対し、ＤＶＤに用いるレーザ光の発振波長は６５０ｎｍ帯である。
１つの光ディスク装置がＣＤ及びＤＶＤの両方の情報を検出するには、７８０ｎｍ帯のレーザ光源（赤外半導体レーザ素子）と６５０ｎｍ帯のレーザ光源（赤色半導体レーザ素子）との２つの光源が必要となる。近年、光ディスク装置を構成する光ピックアップ部の小型化及び軽量化のために、１つの半導体チップに２種類の波長のレーザ光を発光可能に形成した２波長型の半導体レーザ装置が開発され普及しつつある。
図１０（ａ）及び（ｂ）は従来の２波長型の半導体レーザ装置１００の斜視図である（例えば、特許文献１を参照。）。図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体レーザ装置１００は、６５０ｎｍ帯の波長を持つレーザ光１５を出射する赤色半導体レーザ素子１０と７８０ｎｍ帯の波長を持つレーザ光２５を出射する赤外半導体レーザ素子２０との２つのレーザ素子から構成されている。
半導体レーザ装置１００には、赤色半導体レーザ素子１０と赤外半導体レーザ素子２０とを電気的に分離するための分離溝９０が設けられている。半導体レーザ装置１００の上面にはｐ側電極３０が分離溝９０に分割されて形成され、その底面にはｎ側電極４０が全面に形成されており、２つのｐ側電極３０と１つのｎ側電極４０とに、バイアス電圧をそれぞれ独立して印加することにより、各半導体レーザ素子２０、３０を独立に動作させることができる。
半導体レーザ装置１００は、各レーザ光１５、２５を外部に取り出すための前端面５０と、共振器の内部に光を反射させて閉じ込めるための後端面６０とを有している。後端面６０には多層コート膜８０が積層されている。一方、前端面５０にはレーザ光の取り出し効率を上げるために、後端面６０よりも低い反射率を持つ端面コート膜７０、７２が形成されている。
ここで、特許文献１は、ＤＶＤ再生（ＤＶＤ−ＲＯＭ）に使用する赤色半導体レーザ素子１０における前端面５０の反射率を約２０％とし、ＣＤ再生（ＣＤ−ＲＯＭ）に使用する赤外半導体レーザ素子２０における前端面５０の反射率を約５％以下とする端面コート膜７０、７２の形成技術を記載している。この端面コート膜７０、７２は２種類（例えば、Ａｌ2Ｏ3とＳｉＯ2）の材料からなり、所望の反射率を得られるように各膜厚が決定されている。
また、特許文献２には、前端面の端面反射率を２４％〜３２％に制御し、且つＤＶＤ再生（ＤＶＤ−ＲＯＭ）用赤色半導体レーザ素子の反射率をＣＤ再生（ＣＤ−ＲＯＭ）用赤外半導体レーザ素子の反射率よりも低くなるように設定された２波長型の半導体レーザ装置が記載されている。具体的には、赤色半導体レーザ素子の前端面の反射率が２４％で且つ赤外半導体レーザ素子の前端面の反射率が３２％となるように各膜厚を定め、蒸着法による１回の堆積工程で酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を前端面に形成している。このときの膜厚は、赤外半導体レーザ素子の波長をλ3とし、Ａｌ2Ｏ3の屈折率をｎ3（約１．６６）とすると、λ3 ／（２ｎ3 ）となるように設定されている。この方法により、キンクレベル及び光学損傷（catastrophic optical damage:ＣＯＤ）レベルが、赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子の双方でほぼ等しくなるデバイスを得ようとしている。ここで、キンクレベルとは、電流−光出力特性における非直線性が生じる光出力値であり、ＣＯＤレベルとは、活性層における前端面の結晶性が端面コート膜の温度上昇により劣化する光出力値である。
一方、高出力化の有効な手段の１つとして、非特許文献１には、半導体レーザ装置の共振器を形成する前端面の反射率及び後端面の反射率に差を設け、前後端面の反射率を非対称とする方法が記載されている。これは、光ディスク装置の書き込みに用いられる半導体レーザ装置では一般的な手法である。すなわち、共振器を形成する端面を誘電体からなる多層膜でコーティングすることにより、前端面と後端面との反射率を非対称にする方法であり、前端面の反射率を１０％程度と低くし且つ後端面の反射率を９０％程度と高くする。なお、異なる誘電体からなる多層膜の反射率は、各誘電体の屈折率、膜厚及びそれらの積層数によって調整することができる。
特開２００２−２２３０３０号公報
特開２００１−３２０１３１号公報
伊賀健一編著「半導体レーザ」第１版、株式会社オーム社、平成６年１０月２５日、第１版第１刷発行、ｐ．２３８
しかしながら、前述した特許文献１及び特許文献２に記載されている多波長型の半導体レーザ装置（アレイ）は、ＤＶＤ−ＲＯＭ及びＣＤ−ＲＯＭのような再生専用という限られた用途で、赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子に好適な端面コート膜を形成する方法を示しており、半導体レーザ装置を低出力、例えば定格出力として５ｍＷ程度で動作する場合にのみ有効である。
従って、特許文献１及び特許文献２に記載された多波長型の半導体レーザ装置は、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ及びＣＤ−Ｒ等の記録媒体（メディア）への書き込みに必要な高出力動作を得ることは困難である。これに対し、非特許文献１に記載されている半導体レーザ装置は、高出力動作を得るための一般的な技術を説明するに留まり、互いの発振波長が異なるレーザ光を出力する複数の半導体レーザ素子を一基板上に形成した多波長型の半導体レーザ装置に好適な条件を提示しているとはいえない。
そこで、本発明は、波長が異なる複数の半導体レーザ素子がモノリシックに形成された半導体レーザ装置に、高出力特性及び高信頼性を得られる端面コート膜を容易に形成できるようにすることを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、２波長型の半導体レーザ装置を、各半導体レーザ素子の前端面（出射端面）の端面コート膜を構成する屈折率がｎ1の第１の誘電体膜及び屈折率がｎ2の第２の誘電体膜の膜厚を、各半導体レーザ素子の発振波長のほぼ中間の値である波長λを用いて、それぞれほぼλ／（８ｎ1 ）及びほぼλ／（８ｎ2 ）とする構成とする。
具体的に、本発明に係る第１の半導体レーザ装置は、一の基板上に形成され、第１の発振波長がλ1である第１のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子及び第２の発振波長がλ2 （但し、λ2 ≧λ1 ）である第２のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子とを備え、第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子における各レーザ光を出射する出射端面には、第１の発振波長λ1と第２の発振波長λ2との間の波長λに対して、屈折率がｎ1で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ1 ）である第１の誘電体膜が形成され、第１の誘電体膜の上には、屈折率がｎ2で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ2 ）である第２の誘電体膜が形成されていることを特徴とする。
第１の半導体レーザ装置によると、第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子における各レーザ光を出射する出射端面には、第１の発振波長λ1と第２の発振波長λ2との間の波長λに対して、屈折率がｎ1で膜厚がほぼλ／（８ｎ1 ）である第１の誘電体膜が形成され、該第１の誘電体膜の上には、屈折率がｎ2で膜厚がほぼλ／（８ｎ2 ）である第２の誘電体膜が形成されている。このような第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜からなる端面コート膜によって、出射端面には高出力動作に適した反射率を容易に得ることができる。その結果、キンクレベルが上昇して高出力動作時の信頼性が向上すると共に、製造歩留まりを向上させることができる。
なお、第１の半導体レーザ装置は、第１の発振波長λ1及び第２の発振波長λ2が波長λと等しい単一波長型の半導体レーザ装置に適用することも可能である。
本発明に係る第２の半導体レーザ装置は、一の基板上に形成され、第１の発振波長がλ1である第１のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子及び第２の発振波長がλ2（但し、λ2 ≧λ1 ）である第２のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子とを備え、第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子における各レーザ光を出射する出射端面の反対側に位置する反射端面には、第１の発振波長λ1と第２の発振波長λ2との間の波長λに対して、屈折率がｎ1で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ1 ）である第１の誘電体膜が形成され、第１の誘電体膜の上には、屈折率がｎ2で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ2 ）である第２の誘電体膜が形成され、第２の誘電体膜の上には、屈折率がｎ3 （但し、ｎ3 ＞ｎ1 ，ｎ2 ）で且つ膜厚がλ／（４ｎ3 ）である第３の誘電体膜が形成され、第３の誘電体膜の上には、屈折率がｎ4で且つ膜厚がλ／（４ｎ4 ）の第４の誘電体膜と屈折率がｎ4と異なるｎ5で且つ膜厚がλ／（４ｎ5 ）である第５の誘電体膜とを対とする複数対の誘電体膜が形成されていることを特徴とする。
第２の半導体レーザ装置によると、第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子における各レーザ光を出射する出射端面の反対側に位置する反射端面には、本発明の第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜が形成され、該第２の誘電体膜の上には、第１及び第２の誘電体膜よりも屈折率が大きい第３の誘電体膜と、屈折率が互いに異なる第４の誘電体膜及び第５の誘電体膜対とが形成されているため、各レーザ光を共振器内に反射して閉じ込めることができる。
なお、第２の半導体レーザ装置においてもは、第１の発振波長λ1及び第２の発振波長λ2が波長λと等しい単一波長型の半導体レーザ装置に適用が可能である。
第１又は第２のレーザ装置において、出射端面の反射率は１％以上且つ７％以下であることが好ましい。
また、第１又は第２のレーザ装置において、反射端面の反射率は７０％以上であることが好ましい。
第１又は第２のレーザ装置において、屈折率ｎ1は１．６≦ｎ1 ≦２．３であり、屈折率ｎ2は１．４≦ｎ2 ＜１．６であることが好ましい。
第１又は第２のレーザ装置において、第１の誘電体膜は、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5又はＺｒＯ2からなり、第２の誘電体膜はＳｉＯ2からなることが好ましい。
第１又は第２のレーザ装置において、第１の半導体レーザ素子は、その活性層の構成材料がＡｌＧａＩｎＰ系半導体であり、第２の半導体レーザ素子は、その活性層の構成材料がＡｌＧａＡｓ系半導体であることが好ましい。
また、活性層の構成材料がＡｌＧａＩｎＰ系半導体又はＡｌＧａＡｓ系半導体である単一波長型の半導体レーザ装置であってもよい。
本発明に係る半導体レーザ装置は、出射端面に高出力動作に適した反射率を持つ誘電体からなる積層膜を容易に得ることができる。その結果、キンクレベルが上昇して高出力動作時の信頼性が向上すると共に、２波長型の半導体レーザ装置の歩留まりを向上させることができる。
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る２波長型の半導体レーザ装置の概略構成を示している。図１に示すように、本実施形態に係る２波長型の半導体レーザ装置は、６６０ｎｍ帯のレーザ光を発振する赤色半導体レーザ素子１と、７８０ｎｍ帯のレーザ光を発振する赤外半導体レーザ素子２とが一の基板１０１上にモノリシックに形成されている。
赤色半導体レーザ素子１は、エピタキシャル成長用の基板１０１の上に、第１のｎ型クラッド層１０２、第１の活性層１０３、第１のｐ型クラッド層１０４、第１のエッチング停止層１０５、第２のｐ型クラッド層１０６、第１のｐ型コンタクト層１０７及び絶縁層１０８が順次形成されて構成される。
赤外半導体レーザ素子２は、赤色半導体レーザ素子１と半導体の組成は異なるものの、同等の構造を有しており、基板１０１の上に、ｎ型クラッド層１２２、第２の活性層１２３、第３のｐ型クラッド層１２４、エッチング停止層１２５、第４のｐ型クラッド層１２６、第２のｐ型コンタクト層１２７及び絶縁層１０８が順次形成されて構成される。
赤色半導体レーザ素子１と赤外半導体レーザ素子２とは、底部が基板１０１に達する分離溝１５０により電気的に分離されている。
絶縁層１０８は、赤色半導体レーザ素子１における第２のｐ型クラッド層１０６に形成された断面台形状の凸部構造である第１のリッジストライプ部の上面及び赤外半導体レーザ素子２における第４のｐ型クラッド層１２６に形成された第２のリッジストライプ部の上面を除き、各エッチング停止層１０５、１２５の上面及び各リッジストライプ部の側面を覆っている。
赤色半導体レーザ素子１における第１のリッジストライプ部の上面には、第１のｐ側電極１０９が形成され、第１のリッジストライプ部から第１の活性層１０３にキャリア（ホール）が注入される。同様に、赤外半導体レーザ素子２における第２のリッジストライプ部の上面には、第２のｐ側電極１２９が形成され、第２のリッジストライプ部から第２の活性層１２３にキャリア（ホール）が注入される。
基板１０１の各ｐ側電極１０９、１２９の反対側の面上には、ｎ側電極１１０が形成されている。従って、各ｐ側電極１０９、１２９とｎ側電極１１０とに、バイアス電圧を独立に印加することにより、各半導体レーザ素子１、２を独立に動作させることができる。
各リッジストライプ部の下方に形成される共振器における互いに対向する２つの端面は、それぞれ誘電体からなる第１の端面コート膜１３０及び第２の端面コート膜１３１によりコーティングされている。第１の端面コート膜１３０により、レーザ光が出射される端面に出射端面（前端面）１４０が形成され、且つ、出射端面１４０の反対側に位置しレーザ光が内部に反射される端面に反射端面（後端面）１４１が形成される。
ここで、各端面コート膜１３０、１３１は、屈折率が異なる複数の誘電体膜からなり、各誘電体膜の屈折率、膜厚及び積層数を調整することにより、所望の反射率を得ることができる。
なお、各リッジストライプ部は、断面台形状に限定されず、その側面が基板面とほぼ垂直となる断面方形状でもよい。
以下、半導体レーザ装置の具体的な構成及び組成の一例を図２（ａ）及び（ｂ）に基づいて説明する。
図２は本実施形態に係る半導体レーザ装置における各リッジストライプ部が延びる方向に対して垂直な方向の断面構成を示している。図２に示すように、赤色半導体レーザ素子１は、厚さが１００μｍのｎ型ＧａＡｓからなる基板２０１の上に、厚さが２μｍのｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第１のｎ型クラッド層２０２、厚さが０．０１μｍの（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第１の光ガイド層２０３、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰを含む多重量子井戸構造からなる第１の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２０４、厚さが０．０１μｍの（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第２の光ガイド層２０５、厚さが０．３μｍのｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第１のｐ型クラッド層２０６、厚さが０．００７μｍのｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第１のエッチング停止層２０７、厚さが１．０μｍのｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第２のｐ型クラッド層２０８、厚さが０．０５μｍのｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層２０９及び厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＡｓからなる第１のｐ型コンタクト層２１０が順次エピタキシャル成長により形成されている。
第１のＭＱＷ活性層２０４は、厚さが６ｎｍのＧａＩｎＰからなる井戸層と厚さが７ｎｍのＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層とを交互に３組分を積層して形成されている。
第２のｐ型クラッド層２０８、ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層２０９及び第１のｐ型コンタクト層２１０は、長手方向に垂直な方向の断面が台形状の第１のリッジストライプ部２１５を形成している。
絶縁層２２０は、厚さが１．０μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなり、第１のエッチング停止層２０７の上面及び第１のリッジストライプ部２１５の側面、さらには分離溝１５０の底面及び側面を覆っている。
第１のリッジストライプ部２１５の上面を含む絶縁層２２０の上には、第１のｐ型コンタクト層２１０側から順次成膜されたチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層膜からなり、厚さが１μｍのオーミック性を有する第１のｐ側電極２１１が形成されており、この第１のｐ側電極２１１から第１のリッジストライプ部２１５を通して第１のＭＱＷ活性層２０４にキャリア（ホール）が注入される。
基板２０１における第１のｎ型クラッド層２０２の反対側の面（裏面）上には、基板２０１側から順次成膜された金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層膜からなり、厚さが０．５μｍのｎ側電極２１２が形成されている。
また、赤外半導体レーザ素子２は、厚さが１００μｍのｎ型ＧａＡｓからなる基板２０１の上に、厚さが２μｍのｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第２のｎ型クラッド層２２２、厚さが０．０１μｍのＡｌＧａＡｓからなる第３の光ガイド層２２３、ＡｌＧａＡｓを含む多重量子井戸構造からなる第２の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２２４、厚さが０．０１μｍのＡｌＧａＡｓからなる第４の光ガイド層２２５、厚さが０．３μｍのｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第３のｐ型クラッド層２２６、厚さが０．０１μｍのｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第２のエッチング停止層２２７、厚さが１．０μｍのｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第４のｐ型クラッド層２２８、厚さが０．０５μｍのｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層２２９及び厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＡｓからなる第２のｐ型コンタクト層２３０が順次エピタキシャル成長により形成されている。
第２のＭＱＷ活性層２２４は、厚さが３ｎｍの井戸層と厚さが７ｎｍの障壁層とを交互に２組分を積層して形成されている。
第４のｐ型クラッド層２２８、ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層２２９及び第２のｐ型コンタクト層２３０は長手方向に垂直な方向の断面が台形状の第２のリッジストライプ部２３５を形成している。
絶縁層２２０は、分離溝１５０の側面から連続して第２のエッチング停止層２２７の上面及びリッジストライプ部２３５の側面を覆っている。
第２のリッジストライプ部２３５の上面を含む絶縁層２２０の上に形成された第２のｐ側電極２３１は、第１のｐ側電極２１１と同一の構成であり、第２のｐ側電極２３１から第２のリッジストライプ部２３５を通して第２のＭＱＷ活性層２２４にキャリア（ホール）が注入される。
本実施形態に係る半導体レーザ装置における共振器の長さ、チップの幅及び高さは、それぞれ１２００μｍ、１２０μｍ及び８０μｍである。また、各リッジストライプ部２１５、２３５の幅は約２．５μｍで、その高さは１．１５μｍである。
図３は赤色半導体レーザ素子１における共振器に平行な方向（共振器方向）で且つ第１のリッジストライプ部２１５を含む領域の断面構成を示している。また、図４は赤外半導体レーザ素子２における共振器方向で且つ第２のリッジストライプ部２３５を含む領域の断面構成を示している。ここで、図３及び図４において、図２に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。
図３及び図４に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、ＣＯＤによる端面破壊を防止して高出力動作を得るために、共振器におけるレーザ光の共振方向側の両端部に、共振器方向の幅が２０μｍで不純物を添加した領域からなる第１の窓領域３０１及び第２の窓領域３２１を形成している。さらに、各窓領域３０１、３２１へのキャリアの注入を防止するために、各窓領域３０１、３２１の上部は絶縁層２２０により覆われている。
共振器の前端面はレーザ光を取り出すための出射端面３４０、３５０であり、共振器の後端面は該共振器の内部に光を反射させるための反射端面３４１、３５１である。
この出射端面３４０、３５０の反射率を調整するために、出射端面３４０、３５０には、屈折率が互いに異なる誘電体からなる２層の第１の端面コート膜３３０が形成されている。また、反射端面３４１、３５１には誘電体からなる複数層の第２の端面コート膜３３１が形成されている。
ここで、後端面に形成する第２の端面コート膜３３１の反射率は８０％以上、より好ましくは９０％以上とするために、低屈折率膜と高屈折率膜との多層構造とする。例えば、低屈折率材料には、屈折率が１．４８の酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用い、高屈折率材料には屈折率の実部が３．３の水素添加アモルファスシリコンを用いる。
また、前端面に形成する第１の端面コート膜３３０は、前端面の反射率が１％以上且つ７％以下となるように設定する。
この理由を図５を用いて説明する。図５は赤色半導体レーザ素子１における特性温度Ｔ0とキンクレベルとの前端面の反射率依存性を表わしている。図５に示すように、図中の領域Ｂで示す前端面の反射率が１％以下の領域においては、特性温度Ｔ0が低下する。これは、反射率が低い領域Ｂにおいてはミラー損失が増大して、しきい値利得が増大する。その結果、しきい値電流が増加するためである。この傾向は、微分利得が低下する高温で顕著であり、高温（例えば７０℃以上）での動作電流が大きく増加してしまう。
一方、図中の領域Ｃで示す前端面の反射率が７％を越えると、キンクレベルが低下してしまう。これは、外部微分量子効率（スロープ効率＝光出力の変化と電流の変化との比）の低下に起因する。図５は赤色半導体レーザ素子１の場合であるが、赤外半導体レーザ素子２においても同様の傾向を示す。従って、共振器における前端面（出射端面）の反射率を図中の領域Ａで示す１％以上且つ７％以下とすることが極めて望ましい。
前端面の反射率を１％以上且つ７％以下にするには、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、赤色半導体レーザ素子１の発振波長をλ1とし、赤外半導体レーザ素子２の発振波長をλ2とすると、レーザ光が出射される出射端面３４０、３５０に、第１の端面コート膜３３０として、屈折率がｎ1で且つ膜厚がｔ1の第１の誘電体膜と、該第１の誘電体膜の上に屈折率がｎ2で且つ膜厚がｔ2の第２の誘電体膜とを形成する。ここで、第１の誘電体膜の膜厚ｔ1はλ／（８ｎ1 ）とし、第２の誘電体膜の膜厚ｔ2はλ／（８ｎ2 ）とすることを特徴とする。なお、λはλ1とλ2との間の波長である。より好ましくは、λはλ1とλ2との中間の波長とする。
さらに、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、第１の誘電体膜の屈折率ｎ1を１．６≦ｎ1≦２．３とし、第２の誘電体膜の屈折率ｎ2を１．４≦ｎ2＜１．６とすることを特徴とする。
図６（ａ）及び（ｂ）〜図８（ａ）及び（ｂ）は第１の端面コート膜３３０に用いる各誘電体膜の膜厚と端面反射率との関係を表わしている。ここで、第１の端面コート膜３３０の膜厚は波長λを８ｎで除した値であるλ／（８ｎ）で与えられ、横軸はそのときの波長で表わしている。実線は各誘電体膜の膜厚をλ／（８ｎ）としたときの端面反射率を、破線は各誘電体膜の膜厚をλ／（８ｎ）から±２０％変化させた場合の最小の反射率を、一点鎖線は最大の反射率をそれぞれ表わしている。また、横軸の波長λに対して、各端面コート膜の膜厚は、それぞれλ／（８ｎ1）及びλ／（８ｎ2）で与えられ、ｎ1とｎ2とは波長λの光に対する各端面コート膜の屈折率である。
具体的には、図６（ａ）は共振器と接する第１の誘電体膜に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を用い、第１の誘電体膜の上に形成する第２の誘電体膜に酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いた場合の波長が６６０ｎｍの光に対する反射率を表わし、図６（ｂ）は波長が７８０ｎｍの光に対する反射率を表わしている。各誘電体膜の屈折率は、波長が６６０ｎｍの光に対してＡｌ2Ｏ3が１．６５２であり、ＳｉＯ2が１．４９２である。また、波長が７８０ｎｍの光に対してＡｌ2Ｏ3が１．６４７であり、ＳｉＯ2が１．４９１である。
本実施形態においては、発振波長が６６０ｎｍの赤色半導体レーザ素子１が有する実効屈折率は３．３５７とし、これに対し、発振波長が７８０ｎｍの赤外半導体レーザ素子２が有する実効屈折率は３．２３６としている。
図６（ａ）及び（ｂ）から分かるように、各誘電体膜の膜厚の設定波長を６４０ｎｍから８００ｎｍまで計算した結果において、６６０ｎｍ及び７８０ｎｍの波長を持つ光に対する反射率を２％以上且つ７％以下に調整することができる。ここで、第１の端面コート膜３３０の反射率は、各誘電体膜の膜厚をλ／（８ｎ）からずらすことにより、また、膜厚の設定波長λを調整することにより行なうことができる。従って、６６０ｎｍと７８０ｎｍの２種類の波長の光に対して、２％以上且つ７％以下で目標とする反射率を実現することができる。
次に、図７（ａ）及び（ｂ）は第１の誘電体膜に酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）を用い、第２の誘電体膜に酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いた場合の、第１の端面コート膜３３０における波長が６６０ｎｍの光と７８０ｎｍの光とに対する各反射率を表わしている。第１の誘電体膜を構成するＴａ2Ｏ5の屈折率は、波長が６６０ｎｍの光に対して２．０７８であり、波長が７８０ｎｍの光に対して２．０５７である。このように、Ｔａ2Ｏ5の屈折率はＡｌ2Ｏ3と比べて大きいため、各誘電体膜の膜厚をλ／（８ｎ）に設定した場合でも、波長が６６０ｎｍの光に対する反射率が１％以下の領域が現われる。従って、膜厚がλ／（８ｎ）から±２０％ずらした時の反射率の変化の幅は、第１の誘電体にＡｌ2Ｏ3を用いる場合よりも大きくなるため、第１の端面コート膜３３０の反射率を１％以上且つ７％以下に調整するための膜厚をより精密に設定する必要がある。
次に、図８（ａ）及び（ｂ）は第１の誘電体膜に酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を用い、第２の誘電体膜に酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いた場合の、第１の端面コート膜３３０における波長６６０ｎｍの光と７８０ｎｍの光とに対する各反射率を表わしている。この場合も、第１の誘電体膜を構成するＮｂ2Ｏ5の屈折率は、波長６６０ｎｍの光に対して２．２３５であり、波長が７８０ｎｍの光に対して２．２０７と高いため、図７に示したＴａ2Ｏ5の場合と同様に、反射率が１％以下の領域が現われる。従って、第１の端面コート膜３３０の反射率を１％以上且つ７％以下に調整するための膜厚をより精密に設定する必要がある。
図９は波長が６６０ｎｍの光と７８０ｎｍの光とに対する目標反射率を実現するための第１の端面コート膜３３０の膜厚について、第１の誘電体膜にＡｌ2Ｏ3を用い、第２の誘電体膜にＳｉＯ2を用いた場合の計算結果を示している。ここで、縦軸は第１の誘電体膜を構成するＡｌ2Ｏ3の膜厚を表わし、横軸は第２の誘電体膜を構成するＳｉＯ2の膜厚を表わしている。また、実線は波長が６６０ｎｍの光に対する等反射率曲線を表わし、破線は波長が７８０ｎｍの光に対する等反射率曲線を表わしている。
図９に示すように、実線と破線との交点が、Ａｌ2Ｏ3とＳｉＯ2との膜厚の組み合わせによって実現できる、波長が６６０ｎｍの光と７８０ｎｍの光との反射率（１％間隔）を示している。例えば、図９に付した丸印Ａ内の交点に示すように、波長が６６０ｎｍの光に対する反射率を４％とし、波長が７８０ｎｍの光に対する反射率を２％とするには、Ａｌ2Ｏ3の膜厚を６２ｎｍとし、ＳｉＯ2の膜厚を６８ｎｍとすれば良いことが分かる。
また、この図９に示す範囲では交点を持たないため、例えば波長が６６０ｎｍ及び７８０ｎｍで共に４％の反射率等のように、実現できない反射率の組み合わせが存在することも分かる。
本実施形態においては、この計算例のように、第１の誘電体膜と第２の誘電体膜との２つの膜厚をそれぞれ、λ／（８ｎ）を中心としてある範囲（±２０％程度）で変化させることにより、６６０ｎｍと７８０ｎｍとの波長を有する光に対する反射率を所定の範囲で設定できることが分かる。
なお、共振器と接する第１の誘電体膜には酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を用いると共に、第２の誘電体膜には酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いることが好ましい。この理由を以下に説明する。
まず、酸化物であるＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5又はＮｂ2Ｏ5等からなる誘電体膜はその堆積方法にも依存するが、一般に応力が小さことから、半導体レーザ素子の端面コート膜３３０、３３１として適している。また、応力の観点からは、端面コート膜３３０、３３１の膜厚は薄い方が好ましい。
さらに、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5又はＮｂ2Ｏ5からなる誘電体膜を共振器の端面と接するように、すなわち第１の誘電体膜として形成すると、これらの熱伝導率はＳｉＯ2よりも高いため、端面における放熱性が良好となる。その結果、高出力動作時の信頼性が向上する。放熱性の観点からは、膜厚は厚い方が良いが、本願発明者らは、前述したλ／（８ｎ）及びその近傍の値を第１の端面コート膜３３０の膜厚とすると、応力と放熱性との両方の観点から好ましいことを見出した。
酸化物からなる誘電体膜は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ、マグネトロンスパッタ又は電子ビーム（ＥＢ）蒸着法等により堆積することができる。特に、ＥＣＲスパッタは、純度が高い金属（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ又はＮｂ）をターゲット材として用いることができ、光吸収がない誘電体膜を高い堆積レートで形成することができるため好ましい。例えば、Ａｌ2Ｏ3の場合には、金属アルミニウム（Ａｌ）をターゲット材として用い、反応性ガスとして酸素（Ｏ2）を用いることにより、２０ｎｍ／ｍｉｎ程度の高い堆積レートで成膜でき、生産性に優れている。
また、本願発明者らは、第１の誘電膜として共振器の端面にＡｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5又はＮｂ2Ｏ5を用い、ＳｉＯ2を用いないことによる他の効果をも見出した。すなわち、ＳｉＯ2を前述したスパッタ法により堆積すると、反応炉内の不純物である主にＦｅ又はＣｒ等の金属元素が誘電体膜中に取り込まれ易くなる。このようにして形成された重金属を含む誘電体膜（ＳｉＯ2膜）が共振器端面に直接に接した状態で高い光出力のレーザ動作を行なうと、ＳｉＯ2膜に取り込まれた汚染金属により共振器の端面が劣化することを突き止めた。
これは、誘電体膜中の不純物による光吸収により、局所的な発熱によって端面劣化が発生することに起因すると考えられる。スパッタによるＡｌ2Ｏ3膜はＳｉＯ2膜と比べて不純物による汚染レベルが低いため、端面の劣化が起きないことを見出しており、高出力動作での端面劣化の防止に極めて有効であることが分かった。
また、Ａｌ2Ｏ3膜は、ＧａＡｓからなる半導体との密着性が良く、耐環境性が優れているため、レーザチップを気密に封止しないパッケージに対しても実装が可能となり、信頼性が大きく向上する。
なお、第１の誘電体膜にＡｌ2Ｏ3を用いることは、共振器の後端面に形成する第２の端面コート膜レーザ３３１にも有効である。後端面は、反射率を可能な限り高くするために、それぞれλ／（４ｎ）の膜厚を持ち且つ屈折率が小さい一の誘電体膜と、屈折率がそれよりも大きい他の誘電体膜を交互に堆積する。この一の誘電体膜と他の誘電体膜とを対とし、該対の数を多くするほど反射率が高くなる。
このとき、対とする誘電体膜同士の屈折率差が大きい程反射率が高くなる。例えば、屈折率が小さい一の誘電体膜にはＳｉＯ2を用い、屈折率が大きい他の誘電体膜には、水素が添加されたアモルファスＳｉを用いることができる。アモルファスＳｉはレーザ光を吸収するため、他の誘電体を用いてもよい。例えば、アモルファスＳｉよりも屈折率は小さくなるものの、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2又はＴｉＯ2を用いることができる。
屈折率が小さい誘電体膜として、ＳｉＯ2を用いる場合は、前述したように、共振器端面にＳｉＯ2を直接に形成すると端面劣化を引き起こすおそれがある。このため、膜厚ががほぼλ／（８ｎ）のＡｌ2Ｏ3膜を成膜した後、Ａｌ2Ｏ3膜の上に膜厚ががほぼλ／（８ｎ）のＳｉＯ2膜を成膜し、成膜されたＳｉＯ2膜の上に膜厚がλ／（４ｎ）の水素添加アモルファスＳｉ膜を成膜することにより、信頼性が高い第２の端面コート膜３３１を形成することができる。
第２の端面コート膜３３１の反射率をさらに高めるには、水素添加アモルファスＳｉ膜の上に、膜厚がそれぞれλ／（４ｎ）のＳｉＯ2膜及び水素添加アモルファスＳｉ膜を順次成膜すればよい。
このように、本実施形態に係る２波長型の半導体レーザ装置は、所定の屈折率すなわちそれぞれ屈折率ｎ1が１．６≦ｎ1 ≦２．３で、屈折率ｎ2が１．４≦ｎ2 ＜１．６の第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜を所定の膜厚で成膜することにより、第１の端面コート膜３３０として高出力動作に適すると共に、信頼性が高い出射端面と高い反射率とを容易に得ることができる。ここで、所定の膜厚とは、第１の誘電体膜においては、ほぼλ／（８ｎ1）であり、第２の誘電体膜においては、ほぼλ／（８ｎ2）である。なお、λは、赤色半導体レーザ素子１の発振波長をλ1と、赤外半導体レーザ素子２の発振波長λ2との間の波長である。
また、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、第１の端面コート膜３３０に高出力動作に適した反射率を容易に得ることができるため、キンクレベルが上昇して高出力動作時の信頼性が向上すると共に、製造歩留まりを向上させることができる。
なお、本実施形態においては、２波長型の半導体レーザ装置を説明したが、これに限られず、赤色半導体レーザ素子１及び赤外半導体レーザ素子２のいずれか一方のみを基板２０１上に形成した、単一波長型の半導体レーザ装置にも適用することができる。これにより、２波長型の半導体レーザ装置と同様の高い信頼性を有する高出力単一波長型半導体レーザ装置を実現できる。
本発明に係る半導体レーザ装置は、出射端面に高出力動作に適した反射率を持つ誘電体からなる積層膜を容易に得ることができ、キンクレベルが上昇して高出力動作時の信頼性が向上すると共に２波長型の半導体レーザ装置の歩留まりを向上させることができるという効果を有し、例えば、高出力の２波長型の半導体レーザ装置を必要とする光記録装置等の光源として有用であり、また、レーザ医療等への応用にも有用である。
１ 赤色半導体レーザ素子
２ 赤外半導体レーザ素子
１０１ 基板
１０２ 第１のｎ型クラッド層
１０３ 第１の活性層
１０４ 第１のｐ型クラッド層
１０５ 第１のエッチング停止層
１０６ 第２のｐ型クラッド層
１０７ 第１のｐ型コンタクト層
１０８ 絶縁層
１０９ 第１のｐ側電極
１１０ ｎ側電極
１２２ 第２のｎ型クラッド層
１２３ 第２の活性層
１２４ 第３のｐ型クラッド層
１２５ 第２のエッチング停止層
１２６ 第４のｐ型クラッド層
１２７ 第２のｐ型コンタクト層
１２９ 第２のｐ側電極
１３０ 第１の端面コート膜
１３１ 第２の端面コート膜
１４０ 出射端面（前端面）
１４１ 反射端面（後端面）
１５０ 分離溝
２０１ 基板
２０２ 第１のｎ型クラッド層
２０３ 第１の光ガイド層
２０４ 第１の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２０５ 第２の光ガイド層
２０６ 第１のｐ型クラッド層
２０７ 第１のエッチング停止層
２０８ 第２のｐ型クラッド層
２０９ ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層
２１０ 第１のｐ型コンタクト層
２１１ 第１のｐ側電極
２１２ ｎ側電極
２１５ 第１のリッジストライプ部
２２０ 絶縁層（ＳｉＯ2）
２２２ 第２のｎ型クラッド層
２２３ 第３の光ガイド層
２２４ 第２の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２２５ 第４の光ガイド層
２２６ 第３のｐ型Ｐクラッド層
２２７ 第２のエッチング停止層
２２８ 第４のｐ型クラッド層
２２９ ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層
２３０ 第２のｐ型コンタクト層
２３１ 第２のｐ側電極
２３５ 第２のリッジストライプ部
３０１ 第１の窓領域
３２１ 第２の窓領域
３３０ 第１の端面コート膜
３３１ 第２の端面コート膜
３４０ 出射端面
３４１ 反射端面
３５０ 出射端面
３５１ 反射端面
２ 赤外半導体レーザ素子
１０１ 基板
１０２ 第１のｎ型クラッド層
１０３ 第１の活性層
１０４ 第１のｐ型クラッド層
１０５ 第１のエッチング停止層
１０６ 第２のｐ型クラッド層
１０７ 第１のｐ型コンタクト層
１０８ 絶縁層
１０９ 第１のｐ側電極
１１０ ｎ側電極
１２２ 第２のｎ型クラッド層
１２３ 第２の活性層
１２４ 第３のｐ型クラッド層
１２５ 第２のエッチング停止層
１２６ 第４のｐ型クラッド層
１２７ 第２のｐ型コンタクト層
１２９ 第２のｐ側電極
１３０ 第１の端面コート膜
１３１ 第２の端面コート膜
１４０ 出射端面（前端面）
１４１ 反射端面（後端面）
１５０ 分離溝
２０１ 基板
２０２ 第１のｎ型クラッド層
２０３ 第１の光ガイド層
２０４ 第１の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２０５ 第２の光ガイド層
２０６ 第１のｐ型クラッド層
２０７ 第１のエッチング停止層
２０８ 第２のｐ型クラッド層
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２１０ 第１のｐ型コンタクト層
２１１ 第１のｐ側電極
２１２ ｎ側電極
２１５ 第１のリッジストライプ部
２２０ 絶縁層（ＳｉＯ2）
２２２ 第２のｎ型クラッド層
２２３ 第３の光ガイド層
２２４ 第２の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
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２２６ 第３のｐ型Ｐクラッド層
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２２８ 第４のｐ型クラッド層
２２９ ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層
２３０ 第２のｐ型コンタクト層
２３１ 第２のｐ側電極
２３５ 第２のリッジストライプ部
３０１ 第１の窓領域
３２１ 第２の窓領域
３３０ 第１の端面コート膜
３３１ 第２の端面コート膜
３４０ 出射端面
３４１ 反射端面
３５０ 出射端面
３５１ 反射端面
Claims (9)
- 一の基板上に形成され、第１の発振波長がλ1である第１のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子及び第２の発振波長がλ2 （但し、λ2 ≧λ1 ）である第２のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子とを備え、
前記第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子における前記各レーザ光を出射する出射端面には、第１の発振波長λ1と第２の発振波長λ2との間の波長λに対して、屈折率がｎ1で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ1 ）である第１の誘電体膜が形成され、
前記第１の誘電体膜の上には、屈折率がｎ2で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ2 ）である第２の誘電体膜が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記第１の発振波長λ1及び第２の発振波長λ2は、前記波長λと等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 一の基板上に形成され、第１の発振波長がλ1である第１のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子及び第２の発振波長がλ2 （但し、λ2 ≧λ1 ）である第２のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子とを備え、
前記第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子における前記各レーザ光を出射する出射端面の反対側に位置する反射端面には、第１の発振波長λ1と第２の発振波長λ2との間の波長λに対して、屈折率がｎ1で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ1 ）である第１の誘電体膜が形成され、
前記第１の誘電体膜の上には、屈折率がｎ2で且つ膜厚がほぼλ／（８ｎ2 ）である第２の誘電体膜が形成され、
前記第２の誘電体膜の上には、屈折率がｎ3 （但し、ｎ3 ＞ｎ1 ，ｎ2 ）で且つ膜厚がλ／（４ｎ3 ）である第３の誘電体膜が形成され、
前記第３の誘電体膜の上には、屈折率がｎ4で且つ膜厚がλ／（４ｎ4 ）の第４の誘電体膜と屈折率がｎ4と異なるｎ5で且つ膜厚がλ／（４ｎ5 ）である第５の誘電体膜とを対とする複数対の誘電体膜が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記第１の発振波長λ1 及び第２の発振波長λ2 は、前記波長λと等しいことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
- 前記出射端面の反射率は、１％以上且つ７％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記反射端面の反射率は、７０％以上であることを特徴とする請求項３又は４項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記屈折率ｎ1は１．６≦ｎ1 ≦２．３であり、前記屈折率ｎ2は１．４≦ｎ2 ＜１．６であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記第１の誘電体膜は、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5又はＺｒＯ2からなり、前記第２の誘電体膜はＳｉＯ2からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
- 前記第１の半導体レーザ素子は、その活性層の構成材料がＡｌＧａＩｎＰ系半導体であり、前記第２の半導体レーザ素子は、その活性層の構成材料がＡｌＧａＡｓ系半導体であることを特徴とする請求項１、３及び５〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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